彭 會(huì)，戴吾蛟，余文坤，潘 林，鄭 彬

相位鎖定指示值與GNSS觀測(cè)值質(zhì)量分析

彭 會(huì)1，戴吾蛟1，余文坤1，潘 林1，鄭 彬2

（1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.湖南北云科技有限公司，長(zhǎng)沙 410083）

相位鎖定指示值；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；質(zhì)量分析；隨機(jī)模型

0 引言

1 相位鎖定指示值

圖1 接收機(jī)跟蹤環(huán)路

圖2 信號(hào)I和Q的表達(dá)

2 RPLD與GNSS觀測(cè)值質(zhì)量分析

2.1 觀測(cè)環(huán)境與數(shù)據(jù)采集

圖3 觀測(cè)環(huán)境

圖4 不同環(huán)境中高度角、載噪比與的時(shí)間序列

圖5 不同環(huán)境、不同系統(tǒng)各顆衛(wèi)星不同頻率的載噪比與相關(guān)系數(shù)

式中：Slp為周跳發(fā)生概率；Slp為周跳歷元數(shù)；obs為數(shù)據(jù)總歷元數(shù)。

圖6 與周跳發(fā)生概率關(guān)系

表1 不同的對(duì)應(yīng)的周跳發(fā)生概率

2.3.2 載噪比與周跳相關(guān)性分析

圖7展示了空曠、樹(shù)蔭、墻角和玻璃幕墻環(huán)境中，不同載噪比對(duì)應(yīng)的周跳發(fā)生概率。由圖7可知，不同環(huán)境中，相同載噪比對(duì)應(yīng)的周跳發(fā)生概率不完全一致。在4個(gè)環(huán)境中，當(dāng)載噪比從1 dB·Hz增加至32 dB·Hz時(shí)，周跳發(fā)生概率未隨載噪比增加而下降，而是頻繁地上下波動(dòng)。當(dāng)載噪比大于32 dB·Hz后，周跳發(fā)生概率趨于穩(wěn)定，其值趨近于零。但是，在樹(shù)蔭、墻角和玻璃幕墻環(huán)境中，隨著載噪比增大至55 dB·Hz左右時(shí)，周跳發(fā)生概率突然增大，而且一直保持著較高頻率，這可能是由于多徑信號(hào)或衍射信號(hào)疊加導(dǎo)致載噪比大于正常值。由此可見(jiàn)，復(fù)雜環(huán)境中載噪比大小無(wú)法完全反映周跳發(fā)生概率。

圖7 不同載噪比對(duì)應(yīng)的周跳發(fā)生概率

2.3.3 高度角與周跳相關(guān)性分析

圖8展示了空曠、樹(shù)蔭、墻角和玻璃幕墻4個(gè)環(huán)境中，不同高度角對(duì)應(yīng)的周跳發(fā)生概率。由圖8可知，在空曠環(huán)境中，隨著高度角升高，周跳發(fā)生概率隨之下降并逐漸趨于穩(wěn)定。在樹(shù)蔭、墻角和玻璃幕墻環(huán)境中，隨著高度角升高，周跳發(fā)生概率隨之降低，但高度角上升過(guò)程中，周跳發(fā)生概率頻繁波動(dòng)。在樹(shù)蔭和墻角環(huán)境中，當(dāng)高度角大于75°后，周跳發(fā)生概率顯著增大。由上述分析可知，高度角與周跳發(fā)生概率的相關(guān)性也明顯受到環(huán)境因素影響。

圖8 不同高度角對(duì)應(yīng)的周跳發(fā)生概率

圖9 C16的載波相位雙差殘差和時(shí)間序列圖

2.4.2 載噪比與載波相位雙差殘差相關(guān)性分析

圖10為C16的載波相位雙差殘差和載噪比時(shí)間序列圖，從圖9可以看出，B1和B2頻點(diǎn)的載噪比和載波相位雙差殘差的總體變化趨勢(shì)和周期性變化部分都高度一致，但載噪比的周期性變化部分和載波相位雙差殘差周期性變化部分之間存在一定的時(shí)延。這是因?yàn)檩d噪比估計(jì)的平滑周期一般較長(zhǎng)，可能用1 s的數(shù)據(jù)來(lái)平滑。

圖10 C16的載波相位雙差殘差和載噪比時(shí)間序列圖

2.4.3 高度角與載波相位雙差殘差相關(guān)性分析

圖11為C16的載波相位雙差殘差和高度角時(shí)間序列圖，由圖11可知，本次觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，BDS 16號(hào)星高度角逐步下降，但是，載波相位雙差殘差未隨之逐步下降，而是頻繁跳變。由此可見(jiàn)，高度角與載波相位雙差殘差間無(wú)明顯相關(guān)性。

圖11 C16的載波相位雙差殘差和高度角時(shí)間序列圖

3 顧及RPLD的高度角指數(shù)函數(shù)隨機(jī)模型

表2 指數(shù)函數(shù)模型相關(guān)系數(shù)的參考值

為評(píng)估該模型的性能，本文進(jìn)行了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)試驗(yàn)。在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，將測(cè)試設(shè)備固定在汽車(chē)內(nèi)，將GNSS接收機(jī)天線安裝在汽車(chē)車(chē)頂，汽車(chē)在高樓峽谷和林蔭道路中行駛；在靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)，則分別將GNSS接收機(jī)天線置于墻角和樹(shù)蔭環(huán)境中。動(dòng)/靜態(tài)試驗(yàn)的參考站均位于空曠的樓頂。本次試驗(yàn)情況和異常觀測(cè)值占所有觀測(cè)值的百分比如表3所示。

表3 試驗(yàn)情況和異常觀測(cè)值數(shù)量匯總

表4 使用前后的靜態(tài)相對(duì)定位誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表5 使用前后的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

[1] CHEN X, LENZINI G, MARTINS M, et al. A trust framework for evaluating GNSS signal integrity[C]//The Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE). Proceedings of Position Location and Navigation Symposium. Palms Springs: IEEE, 2013: 179-192[2021-09-26].

[2] ZHANG X, WU M, LIU W, et al. Initial assessment of the COMPASS/BeiDou-3: new-generation navigation signals[J]. Journal of Geodesy, 2017, 91(10): 1225-1240.

[3] HE Y. Quality analysis of signal for BDS-3 basic system[C]//Academic Exchange Center of China Satellite Navigation Office (CSNO). Proceedings of the 11th China Satellite Navigation Conference Symposium. Beijing: China Satellite Navigation Office, 2020: 506-516[2021-09-26].

[4] EUELER H J, Goad C C. On optimal filtering of GPS dual frequency observations without using orbit information[J]. Bulletin Géodésique, 1991, 65(2): 130-143.

[5] HARTINGER H, BRUNNER F K. Variances of GPS phase observations: the SIGMA-model[J]. GPS Solutions, 1999, 2(4): 35-43.

[6] BRUNNER F K, HARTINGER H, TROYER L. GPS signal diffraction modelling: the stochastic SIGMA-Δ model[J]. Journal of Geodesy, 1999, 73(5): 259-267.

[7] 張小紅, 丁樂(lè)樂(lè). 北斗二代觀測(cè)值質(zhì)量分析及隨機(jī)模型精化[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2013, 38(7): 832-835.

[8] 戴吾蛟, 丁曉利, 朱建軍. 基于觀測(cè)值質(zhì)量指標(biāo)的GPS觀測(cè)量隨機(jī)模型分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2008, 33(7): 718-722.

[9] 楊汀, 杜久升, 陳宜金. 基于衛(wèi)星高度角模型的GNSS雙差觀測(cè)量方差估計(jì)[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 36(2): 63-67.

[10] JAMES J, SPILKER JR, AXELRAD P, et al. Global positioning system: theory and applications, volume I[M].Reston:American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996: 393-394.

[11] 謝鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2017: 283.

[12] HAN S. Carrier phase-based long-range GPS kinematic positioning[D]. Sydney: University of New South Wales, 1997.

Quality analysis of GNSS observations and phase lock detector

PENG Hui1, DAI Wujiao1, YU Wenkun1, PAN Lin1, ZHENG Bin2

（1. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China 2. Hunan Bynav Technology Co. Ltd, Changsha 410083, China）

phase lock detector; global navigation satellite system; quality analysis; stochastic model

P228

A

2095-4999(2022)04-0115-10

彭會(huì)，戴吾蛟，余文坤，等. 相位鎖定指示值與GNSS觀測(cè)值質(zhì)量分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2022, 10(4): 115-123.（PENG Hui, DAI Wujiao, YU Wenkun, et al. Quality analysis of GNSS observations and phase lock detector[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(4): 115-123.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20220416.

2021-10-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41904030）；湖南省自然資源廳科技項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（2021-24）；中南大學(xué)研究生自由探索項(xiàng)目（2020zzts694）。

彭會(huì)（1997—），女，湖南常德人，碩士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)航定位與空間數(shù)據(jù)更新。

戴吾蛟（1977—），男，江西泰和人，博士，教授，研究方向?yàn)镚NSS變形監(jiān)測(cè)與變形分析。